三维安全边界生成方法、装置及计算机设备与流程

本技术实施例属于计算机图形学、医学图像处理及手术路径规划，特别是涉及一种三维安全边界生成方法、装置及计算机设备。

背景技术：

1、骨科手术等手术过程中经常需要执行截骨操作。现有技术中，通常可以借助计算机设备在术前完成截骨安全边界的规划，实际的截骨操作需要在规划的安全边界中进行。目前，在复杂的三维轮廓中生成安全边界是常见的规划方式之一，通常可以采用几何偏移的方法或基于符号距离场的方法来生成三维轮廓中的安全边界。

2、基于几何偏移的方法主要通过对多边形或空间曲线进行外扩或内缩处理，计算其等距偏移轮廓，从而形成安全边界。该类方法在规则几何结构中具有较好的适用性，但在面对包含多环结构、孔洞结构或多个分离区域的复杂拓扑时，容易产生自交、断裂或锯齿状边界。此外，该类方法通常基于各向同性的距离扩展机制，缺乏方向性约束，难以满足手术规划等场景中对单侧安全边界的需求。当存在多个目标区域时，如何合理地对不同区域进行连接或保持分离，通常需要额外的拓扑分析与规则设计，处理的复杂度较高。

3、基于符号距离场的方法则是在构建空间中每一点到目标轮廓的最短距离函数的基础上，通过提取特定等值面来获得偏移后的边界。该类方法具有能够适应复杂形状和能够生成平滑边界的优点，但其计算过程通常依赖于高分辨率体素化或密集采样，计算成本较高，难以满足实时应用的需求。此外，与基于几何偏移的方法类似，基于符号距离场的方法同样缺乏对特定方向的控制能力，在处理局部区域连接及拓扑重构问题时仍然存在困难。在实际应用中，通常还需结合额外的边界提取与曲线简化等后处理步骤才能生成最终的安全边界，整体流程较为复杂。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术实施例提供了一种三维安全边界生成方法、装置及计算机设备，用以快速生成稳定且可控的三维安全边界。

2、本技术实施例的第一方面提供了一种三维安全边界生成方法，包括：

3、基于输入的三维数据构建局部坐标系，所述三维数据包括三维轮廓点集；

4、根据所述局部坐标系和所述三维轮廓点集计算二维多边形点集，所述二维多边形点集构成二维边界，所述二维边界是将所述三维轮廓点集投影至所述局部坐标系得到的二维投影图像中的边界；

5、对所述二维投影图像进行区域栅格化处理得到二值图像，以区分所述二维多边形点集内部和外部的各个像素；

6、按列对所述二值图像中的前景区域进行投影扩展，所述前景区域由所述二维多边形点集内部的各个像素组成；

7、沿投影方向将扩展后的所述前景区域划分为多个区间，并对相邻区间进行配对处理；

8、对配对的各个区间进行行级区域连接，得到投影边界曲线，并将所述投影边界曲线映射至三维空间，得到所述三维空间内的安全边界。

9、可选地，所述对所述二维投影图像进行区域栅格化处理得到二值图像，以区分所述二维多边形点集内部和外部的各个像素，包括：

10、针对所述二维多边形点集，确定所述二维投影图像中属于所述二维多边形点集内部的各个像素；

11、将所述二维投影图像中属于所述二维多边形点集内部的各个像素赋值为1；以及，将所述二维投影图像中属于所述二维多边形点集外部的各个像素赋值为0，得到二值图像；

12、对所述二值图像进行边界扩展。

13、可选地，所述按列对所述二值图像中的前景区域进行投影扩展，包括：

14、确定所述二值图像中各个像素的上方是否存在属于前景区域的像素；

15、若目标像素的上方存在属于前景区域的像素，则将所述目标像素置为前景区域像素，所述目标像素为所述二值图像中的任一像素。

16、可选地，所述对配对的各个区间进行行级区域连接，得到投影边界曲线，包括：

17、针对配对的每一对相邻区间，将所述相邻区间的顶最高点进行连接，得到投影边界曲线。

18、可选地，所述针对配对的每一对相邻区间，将所述相邻区间的顶最高点进行连接，得到投影边界曲线，包括：

19、针对配对的每一对相邻区间，在投影方向上属于前景区域的位置处确定连接起始高度，并根据所述连接起始高度连接每一对相邻区间；

20、对每一对相邻区间中位于所述连接起始高度以下的区间间隙进行填充，得到投影边界曲线。

21、可选地，在对配对的各个区间进行行级区域连接，得到投影边界曲线之后，还包括：

22、对所述二值图像进行形态学膨胀操作，以调控所述投影边界曲线的形态特征，所述形态特征包括棱角型或光滑型，不同形态特征的所述投影边界曲线用于适应不同类型的手术器械。

23、可选地，所述将所述投影边界曲线映射至三维空间，得到所述三维空间内的安全边界，包括：

24、对所述投影边界曲线的各个边界点进行方向一致性检测；

25、将属于同一线性趋势的各个边界点合并为单一线段，得到边界曲线；

26、将所述边界曲线映射至三维空间，得到所述三维空间内的安全边界。

27、可选地，所述基于输入的三维数据构建局部坐标系，包括：

28、对输入的三维轮廓点集进行排序，使所述三维轮廓点集满足连续连接关系；

29、对所述三维轮廓点集中的首尾点进行闭合处理，使得所述三维轮廓点集形成闭合曲线；

30、在过滤所述三维轮廓点集中的异常点及重复点后，基于所述三维轮廓点集构建局部坐标系。

31、可选地，所述基于所述三维轮廓点集构建局部坐标系，包括：

32、确定所述三维轮廓点集对应的截骨轮廓所在平面的第一法向量以及手术器械运动的第二方向向量；

33、将所述手术器械运动的第二方向向量投影至所述平面并归一化处理得到第二正交基；

34、计算所述第二正交基与所述第一法向量对应的第三正交基之间的叉乘，得到第一正交基；

35、根据所述截骨轮廓的中心点以及所述第一正交基、所述第二正交基和所述第三正交基，生成局部坐标系。

36、本技术实施例的第二方面提供了一种三维安全边界生成装置，包括：

37、投影模块，用于将三维轮廓点集投影至二维平面得到二维多边形点集，所述三维轮廓点集中包含多个有序的三维位置点，所述二维平面是在基于截骨轮廓构造的局部坐标系中确定的平面；

38、扩展模块，用于沿第一方向对所述二维多边形点集对应的轮廓图像进行投影扩展，使得在所述第一方向上形成连续扩展区域；

39、提取模块，用于提取所述连续扩展区域在第二方向上的边界曲线，所述第二方向与所述第一方向垂直；

40、生成模块，用于基于所述局部坐标系的投影矩阵，将所述边界曲线映射至三维空间，得到所述三维空间内的安全边界，所述投影矩阵是在构造所述局部坐标系时确定的。

41、在一些示例中，第一方向可以是纵向方向，对应地，第二方向是与纵向方向垂直的横向方向。

42、本技术实施例的第三方面提供了一种三维安全边界生成装置，应用该装置可以实现上述第一方面任一项所述的方法。

43、本技术实施例的第四方面提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，当所述处理器执行所述计算机程序时，使得所述计算机设备实现如上述第一方面任一项所述的方法。

44、本技术实施例的第五方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当所述计算机程序被计算机执行时实现如上述第一方面任一项所述的方法。

45、本技术实施例的第六方面提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，当所述计算机程序运行时，使得上述第一方面任一项所述的方法被执行。

46、与现有技术相比，本技术实施例具有以下有益效果：

47、本技术实施例，通过将三维轮廓点集投影至二维平面得到二维多边形点集，在此基础上可以沿第一方向对二维多边形点集对应的轮廓图像进行投影扩展，使得投影图像在第一方向上可以形成连续扩展区域。这样，通过提取连续扩展区域在第二方向上的边界曲线，并将该边界曲线映射至三维空间，可以得到三维空间内的安全边界。应用本技术实施例提供的三维安全边界生成方法，可以快速生成稳定且可控的三维安全边界。应用本技术实施例，可以解决如何在避免复杂拓扑计算的前提下完成安全边界结构重构的问题，解决在无需显式拓扑分析的情况下实现多目标区域的合理连接的问题，以及能够根据不同工程需求灵活控制边界形态，并构造一种可调节且与应用对象相适配的边界生成方式。

48、具体地，通过在图像域中实施方向性投影，以及二维平面与三维空间之间的投影映射，可以将原始的三维局部结构转化为沿指定方向的列级连续约束结构，从而在边界生成过程中显式引入方向性控制。这样，可以避免不必要的横向扩展，并能够在无需复杂拓扑分析的情况下实现结构的方向性重构，使最终生成的边界天然满足特定安全方向或加工方向的要求。

49、其次，本技术实施例通过图像域中的行级扫描与填充机制，实现了多个离散区域之间的自动连接，避免了传统方法中依赖几何布尔运算或复杂拓扑判断的处理流程，从而降低了计算复杂度并提高了处理的稳定性。同时，本技术实施例结合形态学处理与边界简化策略，有效抑制了由于离散采样引入的噪声与锯齿现象。在此基础上，进一步通过可配置的结构元素，能够调控边界的几何特征，可以实现对不同手术工具所需边界形态的适配。

50、第三，本技术实施例通过按列提取边界的规则，可以将复杂区域转化为单值函数形式的边界表达，并结合线段合并与单调性约束优化方法，消除了局部抖动与冗余边界点。本技术实施例可以使得生成的边界具备良好的连续性与可控性，便于直接用于路径规划与运动控制。同时，还可以提高整体算法在工程应用中的稳定性与可靠性。

51、本技术实施例提供的三维安全边界生成方法、装置及计算机设备，可以应用于如下场景：

52、1.医疗影像处理：适用于医学图像中的区域连接、结构补全及形态约束处理，例如分割结果修复、区域连续性增强等。

53、2.三维医学软件平台：可集成至医学图像后处理软件、三维重建平台或可视化系统中，以算法模块形式实现区域结构优化与补全。

54、3.手术导航系统：可用于术前影像处理或术中辅助分析，为结构区域的连续性与边界约束提供支持。

55、4.机器人路径规划：可用于基于图像或空间数据的路径约束生成，辅助确定安全操作区域或可行路径范围。

56、5.工业图像处理：适用于工业视觉中的轮廓连接、缺失区域补全及结构约束分析，例如零件轮廓修复与边界生成。

57、6.自动化加工控制：可用于加工区域边界的生成与优化，辅助路径规划及加工范围控制。